专题三：全球定位系统理论与应用研究

1、专题三：地理信息系统理论与应用研究2004-2006一、 GPS概述全球定位系统( Global Positioning System, 简称GPS) 由美国国防部为满足军事部门对陆地、海上和空中的设施进行高精度导航和定位的要求而建立的, 是以人造卫星组网为基础的无线电导航系统1。GPS从1973年美国国防部正式提出到1993年底建成,历时20年。GPS的应用价值极高,所以成为美国政府继阿波罗登月计划和航天 飞机计划之后的第三 大空间计划。它从根本上解决了人类在地球上定位和导航的问题。GPS 实施计划共分3个阶段: 第一阶段：方案论证和初步设计阶段。从1973 年到 1979 年共发射了4颗试

2、验卫星, 研制了地面接收机及建立地面跟踪网; 第二阶段：全面研制和试验阶段。从 1979 年到 1984年又陆续发射了 7颗试验卫星, 研制了各种用途接收机。实验表明, GPS定位精度远远超过设计标准; 第三阶段：实用组网阶段。1989 年 2 月 4日第一颗 GPS 工作卫星发射成功, 表明 GPS 系统进入工程建设阶段。1993 年底使用的 GPS 网即( 21+3) GPS 星座已经建成, 今后将根据计划更换失效的卫星2。随着人类文明的不断进步和科学技术的快速发展, 从原始时期的找方向、领路, 发展到后来的陆基导航, 以致现在的全球卫星导航定位系统, 可以说这是几千年人类社会进步的一个缩

3、影, 它是伴随着人们生产、生活的需要而发展起来的。目前, 世界上共有四套卫星导航定位系统, 包括已投入运行的GPS、GLONASS 和正在建设中 Galileo 等三套全球卫星导航定位系统和我国的区域性北斗卫星导航定位系统。这些卫星导航系统在给人们带来极大的方便、造福于人类的同时, 它已形成为一个新兴产业并成为 21 世纪最热门的投资领域之一, 它是继通信、互联网之后的第三个高新技术的经济增长点, 已在北美、欧洲以及其它地区得到了广泛的应用并产生了巨大的经济效益。显而易见, 建设卫星导航定位系统不仅经济效益显著, 而且更是一个国家国防能力和综合实力的重要体现3。二、 GPS的组成GPS 主要由

4、空间卫星星座、地面监控站及用户设备3 部分构成。1、 GPS 空间卫星星座由 21颗工作卫星和 3 颗在轨备用卫星组成。24 颗卫星均匀分布在 6个轨道平面内,轨道平面的倾角为 55 , 卫星的平均高度为 20200 km, 运行周期为 11 h 58 min。卫星用 L 波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号, 导航定位信号中含有卫星的位置信息, 使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻, 在高度角 15 以上,平均可同时观测到 6 颗卫星, 最多可达到 9 颗。2、 GPS 地面监控站主要由分布在全球的 1个主控站、3个注入站和 5个监测站组成。主控站根据各

5、监测站对 GPS 卫星的观测数据, 计算各卫星的轨道参数、钟差参数等, 并将这些数据编制成导航电文, 传送到注入站, 再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中。3、GPS 用户设备由 GPS 接收机、数据处理软件及其终端设备(如计算机)等组成。GPS 接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号, 跟踪卫星的运行, 并对信号进行交换、放大和处理, 再通过计算机和相应软件, 经基线解算、网平差, 求出 GPS 接收机中心( 测站点)的三维坐标4。三、 GPS的定位原理1、GPS接收机可分为导航型和大地型，用于测量的GPS接收机为大地型，至少需要两台，一台为基准站设在已

6、知点上，另一台为移动站设在要测定的点或要放样的点上，基准站和移动站同时接收卫星信号基准站向移动站发射一个载波相位数据，利用后方交会的原理，测量出移动站GPS移动站的位置。基准站与移动站之间无需通视，基准站与移动站之间的工作距离一般可达2-4km如基准站设在较高的已知点(如高楼的顶上)，工作距离可达10km以上，因此非常适用于远离现有测量控制网的地区进行测量作业5。但是, 针对不同的领域和用户的不同要求, 需要采用的具体测量方法是不一样的。一般来说, GPS 测量模式可分为静态测量和动态测量两种模式, 而静态测量模式又分常规静态测量模式和快速静态测量模式, 动态测量模式分为准动态测量模式和实时动

7、态测量模式, 实时动态测量模式分 DGPS 和 RTK 方式。2、GPS 导航定位是在陆基导航、空间技术、大地测量、通讯和计算机等技术的基础上发展起来的现代星基导航技术。它的最基本的任务是确定客体在空间中的位置定位, 随之可求得瞬时速度、加速度、时间等参量, 进而实现导航。所以 GPS 定位既是最基本的、也是最重要的6。图 1 GPS 定位原理图GPS 定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的。如图 1 所示, 在待测点 A 设置 GPS 接收机, 在某一时刻同时接收到 3 颗( 或 3 颗以上) 卫星 W、P、Q 所发出的信号。通过数据处理和计算, 可求得该时刻接收机天线中心( 测站点) 至

8、卫星的距离 S1、S2、S3。根据卫星星历可查到该时刻 3 颗卫星的三维坐标( Xj, Yj, Zj) , j= 1,2, 3, 从而由坐标公式解算出 A 点的三维坐标( X, Y, Z)。 GPS 系统常用的坐标系统有 WGS84( Geodical System84 即世界大地坐标系84) 、1954 年北京坐标系、1980 年西安大地坐标系。然后根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换求出所使用的坐标系统的坐标7。四、 GPS独特的优点如前所述，GPS的接收机可分为导航型和大地型。GPS 的问世标志着星基导航技术发展到了一个辉煌的时代，大地型主要用于测量，与其它测量导航系统相比, GP

9、S 具有一些明显的特点和优势:( 1) 测量精度高。GPS 可提供高精度的三维坐标、三维速度和时间信息, 采用差分技术其定位精度为厘米级, 速度误差，小于0.01m/s, 授时精度达到 20ns。( 2) 测站间无需通视。GPS 测量不需要测站间相互通视, 可根据实际需要确定点位,使得选点工作更加灵活方便。( 3) 观测时间短。随着GPS 系统的不断完善和软件的不断更新, 一般静态定位仅需几分钟; 在流动站与基准站相距在15km 以内的差分定位中, 流动站观测时间只需 1-2min; 完成一次快速的动态定位或测速仅需数秒钟。( 4) 仪器操作简便。目前 GPS 接收机自动化程度越来越高, 操作

10、日趋智能化。观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数, 接收机即可进行自动观测和记录。( 5) 全天候作业。GPS 卫星数目多, 且分布均匀, 可保证在任何时间、任何地点连续进行观测, 一般不受天气状况的影响。( 6) 提供三维坐标。GPS 测量可同时精确测定测站点的三维坐标, 其高程精度已可满足4等水准测量的要求。( 7)全球性。由于 GPS 卫星的分布合理, 全球覆盖率达 98%, 在覆盖范围内的地球上任何地点均可连续同步地观测到至少 4 颗卫星;(8)应用广泛。可用于与定位、导航、授时有关的所有应用, 是继通信、互联网之后的第三大高科技应用技术。五、 GPS定位的方式与方法依据

11、上述 GPS 定位原理, 人们在实践中已研发出了多钟 GPS 定位的方式与方法, 在实际的测量中可根据不同用途单独采用某一种, 也可组合应用。2004年，丁柏群在“全球定位系统及其在智能运输系统中的应用与发展”中提出GP S 定位方式分为单点定位和相对定位( 差分定位) 。1、单点定位是根据一台接收机的观测数据来确定接收机在地心坐标中的绝对位置, 只能采用伪距观测量, 可用于车船等的概略导航定位;2 、相对定位是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置, 通常是将一台接收机安置在地面已知位置上作为基准点, 并与控制范围内所有待测点的接收机地行同步观测, 既可采用伪距观测量也可采用

12、相位观测量, 大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位8。2006年，刘美生在论文中提出GPS 定位的方式与方法按不同标准可作如下划分:1、根据定位时接收机的运动状态可分为静态定位和动态定位；（1）静态定位是在定位的整个过程中保持接收机天线的位置固定不变, 即在数据处理时将接收机天线的位置作为一个不随时间改变的量。静态定位一般用于高精度的定位测量。（2）动态定位接收机的天线位置在观测过程中是随时间变化的。动态定位是在运动状态下实时地测定运动客体位置的一种定位方法, 接收机天线位置在观测过程中是随时间变化的。与静态定位相比, 它具有用户广泛性、定位实时性、速度范围宽等显著特点。2、根据定

13、位所采用的观测值可分为伪距定位和载波相位定位；（1）伪距定位是采用 C/A 码伪距或 P 码伪距为观测值的定位, 优点是数据处理简单, 定位条件要求低,不存在整周模糊度的问题; 不足是观测精度低。（2）载波相位定位是采用载波相位观测值进行定位, 由于载波信号的波长短, 所以定位精度高, 一般能达到厘米量级; 其缺点是数据处理复杂, 存在整周模糊度的问题。3、根据定位的模式可分为单点定位和多点相对定位；（1）单点定位采用一台接收机进行定位; 特点是速度快, 无多值问题, 作业简单, 外业观测的组织及实施较为方便; 缺点是由于受钟差、传播误差等影响,定位精度低, 所以它适合于一般导航和精度要求不高

14、的应用。（2）相对定位又称为差分定位, 采用多台接收机对同一组卫星进行观测, 可以获得较高的定位精度。其做法是将一台 GPS 接收机安置在基准站上进行观测, 然后根据基准站已知的精确坐标, 计算出基准站到卫星距离的校正数据, 同时由基准站实时将这一数据发送出去。用户在用另一台或数台接收机进行 GPS 观测的同时, 也能接收到基准站发出的校正数据, 并对其定位结果进行自动校正,从而提高测定的精度。差分 GPS 定位技术可分为单站差分( 仅用于较小范围的测定) 、局部区域差分( 用于较大范围的区域测定) 和广域差分( 一国或几个国家范围的广大区域) 3大类。单站差分GPS 技术比较成熟, 系统结构

15、和算法简单, 应用较广。它以基准站发送信息的方式不同又分为位置差分、伪距差分和载波相位差分 3 种。位置差分和伪距差分可达到米级定位精度, 前者仅适用于100 km 以内的较小范围, 后者则是应用最为广泛的一种差分 GPS 技术。载波相位差分又称RTK( Real Time Kinematic) 技术, 可使定位精度达到厘米级, 常用于精度要求极高的应用领域, 如海上精密定位、地形测图和地籍测绘等9。六、 GPS的两种服务与SA政策1、两种服务GPS 按精度的不同提供民用的标准定位( SPS, Standard Positioning Service)和军规的精密定位( PPS, Precis

16、e Positioning Service)两类服务。SPS 的主要对象是民用, 采用 C/A 码粗码定位, 定位精度为 20m。PPS 主要用于美国和盟军的军事部门及特许部门, 采用 P码精码定位, 单点定位精度可达到 5m。2、SA 政策(选择可用性 Selective Availability)在 GPS 系统建成后,实际的 C/A 码定位精度远高于设计指标,达到 20m 内。于是美国基于保障军事上的安全和自身利益, 对非特许用户采取了 SA 政策, 即对卫星星历信号进行随机干扰,人为地给卫星基准信号引入了一个高频抖动干扰和降低轨道参数的精度, 使其定位精度降为水平 100m、垂直150

17、m。但人们研制了差分技术予以弥补, 又提高到10m 左右, 于是 2000 年 5 月 1 日克林顿政府决定取消 SA 政策, 因此现在民用的定位精度也可达到20m 左右。七、 应用实例随着全球定位系统的不断改进,硬、软件的不断完善,其应用领域还在不断地扩大,目前已遍及国民经济各个部门,并开始逐步深人人们的日常生活。GPS技术已经广泛地应用于海空导航、车辆导行、导弹制导、工程测量、设计、施工、验收等几乎所有的领域。2004-2006年，全球定位系统的应用主要集中在以下方面：1、在工程测量中的应用。在洛阳市高层次人才居住区的道路设计的控制量中采用了全球定位系统测量技术，按照分层布网、两级控制的原

18、则，对两级网点分别进行了GPS静态测量、动态测量，用打的测量法对其中部分网点进行了校验，对GPS的测量死角网点用打的测量法进行了测量。测量实践表明：GPS测量具有精度高、成本低、选点灵活、时间短的优点。2、在地球动力学方面的应用。从八十年代中期开始,在地壳运动观测中引进了 GPS技术。目前, GPS技术已成为一种成熟的地形变测量的观测技术, 使地球动力学的研究取得了突破性的进展10。3、在退耕还林工程建设中的应用。在林生态建设中的应用发展主要表现在一些地方的森林分类经营、造林普查、森林资源清查、森林防火和生态环境监测等方面都有应用成功。当前，GPS主要应用于退耕还林工程规划设计和检查验收过程中

19、的小班定位和面机测定。4、在智能运输系统中的应用与发展。智能运输系统是综合运用计算机、通信、自动控制、系统工程、交通工程等高新技术,对传统的交通运输系统及管理方式进行整合、改造和更新, 从而形成准确、高效、安全、智能化、低污染的现代综合交通运输系统。它诸多管理控制措施的实施, 如车辆导航、车辆运营管理等都必须以车辆的定时定位为前提; 而GPS 技术恰恰为车辆定位提供了一种现实可靠的手段, 它不仅能够实现实时定位、提高定位准确度,而且能够实现交通个体定位, 形成个体位置信息网络, 从而为实现针对个体交通分散选择行为的分布式管理控制提供基本的可能性。GPS主要应用在车辆智能导航、车辆运营管理、特种

20、车辆指挥调度、道路交通量监测、道路结构物监测等方面。 5、在土地资源动态监测中的应用。传统的土地变更调查方法定位不准、误差大。GPS 具有速度快、精度高、成本低、操作简便等特点,在 GPS 外业测量中, 合理选用在数据采集、数据处理和数据质量等方面达到精度要求的 GPS 接收机和数据采集方法可以有效地提高内、外业工作效率和数据精度。全球定位系统完全可以作为一种成熟技术应用于土地资源动态监测中。6、在汽车上的应用。随着GPS在民用领域的发展及应用,汽车行业也已经开始利用GPS对移动的汽车进行实时测,构成自动车辆定位/导航系统。汽车导航系统由GPS、车载部分和主控中心等组成。7、在城市控制测量中的

21、应用。GPS 定位技术已经取代了经典的测量方法。2004 年 10月,为了满足市规划区范围不断扩大及发展的要求,该市城乡规划局委托我方采用GPS全球定位技术,在市规划区内建立 D 级GPS控制网,以满足城市远景规划建设需要。控制面积约为 48 平方公里,于2004 年11月底完成 D 级 G PS 控制网的野外数据采集和内业数据处理工作。GPS 静态定位测量流程如图 8、在变电站中的应用。电力系统故障分析依靠2个方面: 一是故障录波, 二是时间基准。微机保护及录波装置的应用已经比较全面地记录了故障信息, 但时间基准的不统一给故障分析特别是故障综合分析带来了极大的不便。所以,提供标准时间的时钟成

22、为变电站乃至整个电力系统的迫切需要。全球定位系( GPS)具有全天候、时间精度高等优点, 已经在国防、航海、航空、探测等各领域得到广泛应用。全球定位系统可以为各个变电站提供统一的时钟, 这为变电站及电力系统统一授时提供了基本的条件。农网、城网的逐步完善, 电力系统自动化程度的日益提高, 数字通信的发展等都为电子系统统一授时的实现提供了可能。9、在农业中的应用。农业生产的根本目的是增加产量、提高效益与改善环境。要达到这一目的, 除了适时调整农业结构、引种优质高产新品种、科学施肥与强化田间管理等传统措施外, 还应从宏观角度对农业资源进行全面、系统、有效的监管和调配, 以便使有限的资源发挥出最大的效

23、益, 同时又能确保资源实现可持续发展, 这就需要及时获取准确、适时、动态的农业资源空间信息。由于 GPS 在获取空间信息方面有着其它技术不可比拟的优势, 与遥感技术( RS) 、地理信息系统( GIS) 结合使用，在农业中的应用前景将极为广阔。主要体现在土地利用动态监测、田间管理、土壤质量动态监测中的应用等。10、在铁路中的应用。随着我国铁路事业的高速发展，特别是在提高运输效率，保证安全畅通的前提下，更能体现GPS这一高新技术的优越性。GPS在铁路系统中的应用主要表现在铁路测量、铁路铺轨作业、救援列车、高速安全保障、铁路物流、调度系统中的应用。11、在航海领域中的应用。如今的航海已经十分依赖G

24、PS。不论是大洋航行、船舶转向,还是记中午船位、推算船位、对时、拨钟,甚至抛锚都使用。可以看出,在船舶航海中的重要性。GPS的出现,解决了全天候的实时船位,船舶可随时记 取GPS船位。船舶抛锚时,先选好锚位,量出锚位经纬度,朝着锚位开去,GPS显示进锚位,抛锚。在进出港时,由于有限的航道和有限的时间,尤其是船只交会的时候,可以选用差分GPS来保证导航的精度，避免搁浅和碰撞。八、我国GPS现状及挑战 从发展趋势来看, 国内GPS 市场呈现出两个重点:(1)以车载导航为核心的移动目标监控、管理与服务系统在GPS 应用领域中, 车辆应用所占的比例较大。最初GPS车辆应用一般分为车辆跟踪、车辆导航两大

25、系统。但当Motolora推出将车辆导航与跟踪集于一体的车辆信息系统后, 它就成了发展的方向。(2)面向个人消费者的GPS 终端产品芯片的小型化技术、生产成本的降低、体积与耗电量的减小等有利因素, 使GPS 产品走下神坛、深入到人们的日常生活中。目前面向个人消费者的产品主要有车载自主导航系统、移动监控终端以及消费类电子产品。 面临的挑战：第一是美国GPS 政策的制约。由于GPS 在军事上具有重要的价值,美国政府规定只有美国及其盟国的军方用户才能不受限制的使用该系统,而未经授权的广大用户只能部分地使用该系统。第二是低层次的技术开发,低层次的家户应用。我国目前GPS 应用主要涉及静态、低精度、非实

26、时的定位,这是GPS 的低层次技术应用。应对措施：建立自己的差分GPS 技术系统。九、GPS的发展及趋势随着 GPS 等卫星导航技术的快速发展和广泛应用,面对各国( 地区) 都想建立自己独立的卫星导航定位系统的发展趋势和日趋激烈的竞争局面,美国采取的战略是在技术上领先、在新领域新业务的拓展上先发制人,这也可能是美国人在GPS的发展上唯一的最佳选择。所以,美国在加强与俄罗斯应用合作的同时, 提出了称为“GPS现代化”的计划并正在加紧实施。GPS现代化的实质是要满足21世纪美国国防现代化发展的需要,加强GPS对美军现代化的支撑,在技术上、经济上保持 GPS 在该领域中的持续领先。其内涵: 一是保护

27、。 要更好地保护美国军方和友好方的使用; 大力开发抗干扰技术, 提高抗干扰能力。二是阻止。创造新的干扰技术, 阻扰和阻止敌方使用 GPS; 美国军方已掌握了 SA 的施加技术, 可在局部区域内实施 SA 政策; 美国已开发出只有可口可乐瓶大小的、足以使敌方无法接收 GPS信号的干扰机。三是保持、改善和加强民用导航定位的应用, 保持 GPS 在全球定位导航领域中的领导地位。GPS 现代化的实施分为三个阶段:第一阶段是发射 12 颗改进型的 BLOCK 型卫星, 提高发射功率, 增加发射第二民用码和新的军码( M码) 。第二阶段是到 2008 年至少有 18 颗具有第三民用频率( L5 频道) 的更新型 BLOCK F 卫星投入运行, 保证 M码的全球覆盖; 到 2016 年 GPS 系统将全部采用 BLOCKF 卫星。第三阶段是计划用 20 年的时间完成 GPS 卫星的研发, 全面提升 GPS 系统的技术水平, 即改变GPS 体系结构, 卫星寿命为 15- 20 年, 分辨率比目前卫星高 10 倍, 抗干扰能力提高 100- 500 倍, 采用更先进的加密技术; 与之配套的 GPS 接收机将具有较强的抗干扰能力和反欺骗模式。参考文献：1 郭晓虹、孙紫英等. 全球定位系统